Fisiologia vegetale

CATABOLISMO NELLE CELLULE VEGETALI

DEGRADAZIONE DELL’AMIDO

La degradazione dell’amido avviene grazie agli enzimi:

a) α-amilasi: endoenzima, cioè taglia all’interno delle catene; non può tagliare in prossimità delle ramificazioni. Libera 2

residui di glucosio alla volta lasciando integro il legame tra di loro, a formare l’α-maltosio; la zona in corrispondenza

delle ramificazioni è chiamata destrina, le altre malto-destrina.

b) β-amilasi: esoenzima, cioè taglia a partire dall’estremità non riducente; stacca 2 residui alla volta, nella forma di β-

maltosio.

c) enzima deramificante: rompe i legami α-1,6 (che legano le ramificazioni alla catena lineare); formano piccoli

oligosaccaridi lineari α-1,4, i malto-oligosaccaridi.

d) amido fosforilasi: esoenzima che taglia dall’estremità non riducente, stacca 1 residuo alla volta e lo fosforila usando

ortofosfato.

RESPIRAZIONE CELLULARE

Le piante di giorno effettuano la respirazione mitocondriale e la fotorespirazione in cui consumano O e rilasciano CO , e

2 2

la fotosintesi in cui consumano CO e producono O ; di notte avviene solo la respirazione mitocondriale. La produzione

2 2

di O durante la fotosintesi è superiore alla quantità di

2

O che la pianta consuma con la respirazione e la

2

fotorespirazione.

La respirazione sia nelle piante sia negli animali porta

all’ossidazione del glucosio a CO e H O; si producono

2 2

ATP, NADH e scheletri di C per la sintesi di molecole

biologiche:

C H O + 6O + 6H O + 32ADP + 32Pi -> 6CO + 12H O +

6 12 6 2 2 2 2

32 ATP

Circa 70% dell’ATP non cloroplastico presente nelle

cellule fotosintetiche è prodotto dalla respirazione

l’ATP prodotto nel cloroplasto rimane lì, però questo

rifornisce il citosol facendo uscire trioso fosfati.

La respirazione include più processi:

- glicolisi

- via dei pentoso fosfati

- ciclo dell’acido citrico o di Krebs

- catena di trasporto degli elettroni o fosforilazione

ossidativa

1) Glicolisi

Esistono 2 vie:

-citosolica

-plastidica: non completa, manca la fosfoglicerato

mutasi; quindi si blocca al 3-fosfoglicerato che va nel

citosol e continua la glicolisi; i prodotti a valle possono

tornare nel plastidio e finire lì la glicolisi.

Nella glicolisi i substrati provenienti da fonti diverse

sono incanalati nei trioso fosfati; per ogni saccarosio

metabolizzato si formano 4 molecole di trioso fosfato; a

partire da questi si producono ATP, NADH e piruvato.

2) Via dei pentoso fosfati

Piruvato e malato entrano nello stroma del mitocondrio

attraverso dei trasportatori; il piruvato in presenza di O2 è

convertito in AcetilCoA dalla piruvato deidrogenasi (perde 1 C), il

quale entra nel ciclo di Krebs.

La gliceraldeide-6-fosfato viene ossidata a 6-fosfo-glicerato dalla

glucosio 6-fosfato-deidrogenasi, con produzione di NADPH; questo 46

è ossidato in ribulosio-5-fosfato con produzione di CO e NADPH, dalla gluconato-6-fosfato deidrogenasi.

2

Esistono due vie complete:

-citosol

-plastidi: contengono anche la glucosio 6-

fosfato-deidrogenasi.

Funzioni del ciclo: contribuisce alla respirazione,

usa zuccheri fosfati e intermedi che entrano

nella glicolisi (gliceraldeide-3-fosfato e fruttosio

6-fosfato), è l’unico ciclo che produce scheletri

carboniosi a 5 e 5 C (es ribulosio-5-fosfato serve

per la sintesi di acidi nucleici, eritrosio-4-fosfato

è il precursore di vie come i fenoli che formano

la lignina, aa aromatici)-> un ruolo anaplerotico.

Quindi non tutto il carbonio che entra nella

respirazione viene convertito in CO , parte

2

viene utilizzata per la sintesi di precursori di

macromolecole biologiche (acidi nucleici,

proteine, lipidi, cellulosa).

La glucosio 6-fosfato-deidrogenasi cloroplastica

è inattiva alla luce, viene inibita da un alto

rapporto NADPH/NADP.

3) Ciclo di Krebs

Avviene nella matrice mitocondriale, con

eccezione dell’attività della succinato

deidrogenasi (legata alla faccia matriciale della

membrana interna); produce soprattutto

NADH, ma anche FADH e ATP.

2

Peculiarità del ciclo di Krebs nelle piante:

-la succinil-CoA sintasi produce ATP invece che GTP +

-il malato è convertito in piruvato dall’enzima malico NAD -dipendente o malato deidrogenasi (come nelle piante C4); il

malato può derivare dal PEP attraverso PEP carbossilasi e malato deidrogenasi citosoliche.

L’enzima malico permette la regolazione dei livelli di acido malico di molti tessuti (es. piante CAM, frutti..), e quindi la

regolazione del pH.

4) Fosforilazione ossidativa 2

Converte il potere riducente di NADH e FADH in ATP; il trasporto degli elettroni crea un gradiente di protoni che si

accumulano tra la membrana mitocondriale interna e esterna; l’accettore finale degli elettroni nella respirazione è l’O .

2

Il trasporto degli elettroni può iniziare dal complesso I (NADH deidrogenasi) o direttamente dal II (succinato

+ -

deidrogenasi)-> passano all’ubichinone (carrier di H e e liposolubile)-> complesso III (complesso del citocromo bc1)->

+

complesso IV (citocromo c ossidasi)-> O2. Gli H sono rilasciati dallo stroma nello spazio tra le 2 membrane; questi sono

+

rilasciati dai complessi I, III, IV, e vengono usati dall’ATP sintasi per produrre ATP (con 3H si forma 1 ATP).

Nelle piante ci sono due vie per l’ossidazione del NADH:

-il NADH contenuto nella matrice viene ossidato a partire dal complesso I, e porta alla sintesi di 3 ATP; il FADH2 è

ossidato nel complesso II

-il NADH citosolico prodotto nella glicolisi non entra nello stroma, ma viene ossidato da una deidrogenasi presente sulla

faccia esterna della membrana interna, e ceduti all’ubichinone, quindi il trasporto inizia dal complesso II e porta alla

sintesi di 2 ATP; negli animali invece il NADH citosolico prodotto nella glicolisi entra nel mitocondrio col sistema navetta,

e viene ossidato nel complesso I.

Sistemi che abbassano la resa di ATP

L’ossidasi alternativa (AOX) è la principale responsabile per l’ossidazione disaccoppiata. Al contrario degli animali, nelle

piante se viene somministrato cianuro, la fosforilazione ossidativa non si blocca ma viene consumato O grazie all’AOX.

2

Quando questo è presente infatti gli elettroni non arrivano al complesso III, ma all’AOX che li cede all’O ; quindi vengono

2 47

+

saltati due siti di pompaggio di H , e l’energia usata per trasportare elettroni + persa come calore e viene prodotto meno

ATP.

Il gradiente di H+ formato nei complessi I e II va alla proteina disaccoppiante UCP, che aumenta la permeabilità della

membrana interna ai protoni, e che quindi li lascia passare aldilà della membrana senza farli passare nell’ATP sintasi.

Quindi l’UCP agisce da disaccoppiante e diminuisce la produzione di ATP.

AOX:

-Termogenica: genera calore

-Insensibile al cianuro, mentre il complesso IV è sensibile a questo

-Attivata se la concentrazione di ADP è bassa

-Spesso indotta da stress e da ROS: in condizioni particolari

-Sovraespressione delle AOX riduce la formazione di ROS, specie reattive dell’O , dannose

2

-Piante esprimenti AOX antisenso producono più ROS

L’AOX è uno dei pochi sistemi di controllo della temperatura in pianta: ad es. nelle Aracee quando l’infiorescenza è

matura viene prodotto AOX, che riscalda l’infiorescenza stessa; questo permette di rendere più volatili le sostanze che

attraggono gli impollinatori. Il segnale per la produzione di AOX è dato dall’acido salicilico.

METABOLISMO DEI LIPIDI: CICLO DEL GLIOSSILATO

I lipidi di riserva sono conservati sotto forma di trialglicerolo (come negli animali), formato da un glicerolo con 3 acidi

grassi esterificati; ricchi nei semi (servono per la germinazione, accumulati negli oleosomi), in frutti come avocado e

olive. Il ciclo del gliossilato è tipico delle piante, che convertono i lipidi in zuccheri che poi usano. Questo avviene nei

gliossisomi, classe di perossisomi. Ciclo del gliossilato consente alla piantina di produrre, in assenza di fotosintesi,

scheletri carboniosi e di esportare l’energia immagazzinata nei lipidi di

riserva in zuccheri solubili.

a) negli oleosomi i trigliceridi sono idrolizzati dalle lipasi in acidi grassi

e glicerolo

b) gli acidi grassi entrano nel gliossisoma dove avviene la Beta-

ossidazione ad acetil-CoA (negli animali avviene nei perossisomi);

questo è condensato all’ossalacetato e forma citrato

c) il citrato esce nel citosol ed è convertito dall’aconitasi in isocitrasi, e

torna nel gliossisoma

d) tipica delle piante: l’isocitrato è scisso dall’isocitrato liasi in

succinato e gliossilato -> il gliossilato riforma l’ossalacetato grazie alla

malato sintasi che condensa 1 gliossilato con CoA; il succinato è un

intermedio del ciclo di Krebs, esce dal gliossisoma e entra nel

mitocondrio dove fa 2 tappe del ciclo, fino a produrre malato, esce e

viene decarbossilato a ossalacetato e convertito dalla PEP carbossilasi

in fosfoenolpiruvato e ATP

e) il fosfoenolpiruvato entra nella gluconeogenesi (glicolisi inversa)

per la produzione di saccarosio (citoplasma)

Gluconeogenesi 48

SVILUPPO DELLE PIANTE CONTROLLATO DALLA LUCE E LE RISPOSTE ALLA

LUCE BLU E ALLA LUCE ROSSA

La luce viene utilizzata dalle piante non solo come fonte di energia chimica

(attraverso la fotosintesi) ma anche come segnale ambientale che regola la

crescita e lo sviluppo.

Esistono due principali classi di fotorecettori:

-Per la luce rossa (fitocromi)

-Per la luce blu (crittocromi e fototropine)

Tutti i fotorecettori hanno:

-un sito di legame per il cromoforo; il cromoforo percepisce la luce, manda un segnale al fotorecettore

-un sito regolativo che permette di regolare l’espressione genica.

LUCE ROSSA

Alcune risposte della pianta regolate dalla luce rossa sono:

-Germinazione dei semi: Non tutti i semi sono sensibili alla luce

(fotoblastici), lo sono quelli che vanno in superficie, in genere semi piccoli

con limitate sostanze di riserva (es lattuga)

-Fotomorfogenesi

-Induzione fotoperiodica della fioritura

-Sviluppo del cloroplasto (non include la sintesi della clorofilla)

-Senescenza fogliare

-Abscissione fogliare

Alcune risposte sono regolate sia dalla luce rossa sia da quella blu, alcune

anche da ormoni; comunque i fotorecettori innescano la prima reazione.

Le risposte mediate dal fitocromo:

-Spettro d’azione della luce necessario per queste risposte ha un picco nel rosso a circa 660 nm

-Queste risposte possono essere invertite applicando luce rosso lontana (picco a 730 nm) (fotoreversibilit&a